瘧原蟲感染引起的炎癥小體反應(yīng)研究進(jìn)展

李 昕，董 彬，李承桓，袁 泉，馮 穎，姜 寧

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110161)

炎癥小體(inflammasome)是多聚體蛋白復(fù)合物，通常包括傳感器、適配器和半胱氨酸蛋白酶(caspases)。細(xì)胞質(zhì)中病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(danger-associated molecular patterns，DAMPs)的傳感器包括核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(nucleotide-binding domain，NOD)樣受體(NOD-like receptors，NLRs)、富含亮氨酸重復(fù)序列(leucine-rich repeat，LRR)、黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma，AIM2)樣受體(AIM2-like receptors，ALRs)和三元基序家族蛋白(tripartite motif-containing protein， TRIM，如pyrin)。在這些傳感器中，進(jìn)化保守的NLRs家族成員，與AIM2和pyrin可組裝成多聚體蛋白復(fù)合物——炎癥小體。炎癥小體激活在病原體防御中起重要作用，它有助于清除受損和轉(zhuǎn)化的宿主細(xì)胞，并刺激適應(yīng)性免疫反應(yīng)。相反，異常炎癥小體激活與許多炎癥性疾病、傳染病和癌癥有關(guān)。炎癥小體的激活是機(jī)體對(duì)傳染性微生物應(yīng)答所引起的caspase-1激活，從而使多位點(diǎn)加工和生產(chǎn)成熟IL-1β和IL-18的過程。炎癥小體通過模式識(shí)別受體(pattern-recognition receptors，PRRs)如AIM2、NLRP3或NLRC4，識(shí)別PAMPs，從而導(dǎo)致炎癥小體的形成，激活caspase-1、pro-IL-1β和pro-IL-18分解并生成IL-1β和IL-18[1-2]。因此，炎癥小體激活受到嚴(yán)格調(diào)控，它包含許多分子和細(xì)胞信號(hào)。

瘧疾是由瘧原蟲感染引起的一種疾病，以周期性規(guī)律發(fā)作，全身發(fā)冷、發(fā)熱、多汗為主要特征。目前，瘧疾仍然是人類歷史上最具破壞性的全球衛(wèi)生問題之一，可在熱帶地區(qū)引起高發(fā)病率和死亡率，每年估計(jì)有2.12億臨床病例和42.9萬人死亡[3]。超過85%的瘧疾病例和90%的死亡發(fā)生在撒哈拉以南非洲地區(qū)。大多數(shù)病例是由惡性瘧原蟲(Plasmodiumfalciparum，Pf)或間日瘧原蟲引起的，但人類感染也可能由卵形瘧原蟲、三日瘧原蟲和東南亞部分地區(qū)的猴瘧疾諾氏瘧原蟲引起[4-6]。絕大多數(shù)威脅生命的瘧疾病例是由惡性瘧原蟲感染引起的，主要發(fā)生于5歲以下的兒童[7-8]。

瘧原蟲生活史復(fù)雜，包含在中間宿主紅細(xì)胞內(nèi)發(fā)育階段及在終末宿主按蚊體內(nèi)的發(fā)育階段。瘧原蟲在中間宿主紅細(xì)胞內(nèi)可發(fā)育成熟為雌雄配子體，按蚊吸血后雌雄配子體在其體內(nèi)受精形成合子，進(jìn)而發(fā)育形成動(dòng)合子侵入按蚊胃壁形成卵囊，卵囊經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)育形成子孢子，成熟的子孢子移行至按蚊唾液腺，在受感染按蚊下次吸血時(shí)，唾液腺中的子孢子進(jìn)入中間宿主體內(nèi)完成瘧原蟲在宿主之間的傳播。

1 瘧原蟲與機(jī)體炎癥小體反應(yīng)

瘧疾感染可觸發(fā)多種先天免疫應(yīng)答途徑，其典型特征是周期性發(fā)熱、寒戰(zhàn)，這是由于機(jī)體對(duì)瘧原蟲及其分泌物反應(yīng)而循環(huán)釋放炎性細(xì)胞所致[9-10]。瘧疾是一種復(fù)雜的疾病，其蟲體和宿主成分對(duì)疾病的嚴(yán)重程度有很大影響。瘧原蟲在紅細(xì)胞內(nèi)復(fù)制，染蟲紅細(xì)胞(infected red blood cell，iRBC)的破裂會(huì)導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子風(fēng)暴，伴隨著瘧疾患者的發(fā)熱[11-12]。瘧疾感染通常伴隨有紅細(xì)胞生成失調(diào)，這是由細(xì)胞因子、一氧化氮和脂質(zhì)過氧化物等促炎介質(zhì)導(dǎo)致骨髓功能障礙所引起[13-14]。一些細(xì)胞因子的過度生產(chǎn)，包括TNF-α、IFN-γ、IL-12和IL-1β均與瘧疾有關(guān)。瘧原蟲感染觸發(fā)NLRP3/NLRP12依賴性炎癥小體的形成和caspase-1激活單核細(xì)胞，從而導(dǎo)致IL-1β分泌[15]。 IL-1β是一個(gè)高度協(xié)同作用的細(xì)胞因子，有可能從根本上修改表達(dá)模式，對(duì)其他免疫調(diào)制劑產(chǎn)生影響[16-18]。

1.1 惡性瘧原蟲感染

在惡性瘧原蟲感染中，iRBC激活了炎癥小體，并導(dǎo)致巨噬細(xì)胞中Fcγ受體介導(dǎo)的吞噬作用[19]。炎癥小體復(fù)合物存在于含有NLRP3或NLRP12炎癥小體的瘧疾患者單核細(xì)胞中。初步研究表明，在惡性瘧原蟲感染期間，GPI錨蛋白在誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生過程中起關(guān)鍵作用。以前MEFV被認(rèn)為是惡性瘧原蟲的保護(hù)因子，與間日瘧原蟲沒有顯著相關(guān)性[20]。iRBC表面表達(dá)的變異表面抗原(variant surface antigens，VSAPAM)的抗體能保護(hù)母體，避免產(chǎn)生瘧疾貧血，這是由于惡性瘧原蟲感染觸發(fā)Th1反應(yīng)，增加了IL-1、TNF-1和IFN-1等促炎癥細(xì)胞因子的分泌，有助于控制胎盤感染[21]。

1.2 間日瘧原蟲感染

與惡性瘧原蟲感染相比，間日瘧原蟲感染的臨床癥狀較輕，病死率較低。但間日瘧原蟲感染后，可以在宿主肝臟內(nèi)駐留，處于休眠階段，從而逃避宿主的免疫系統(tǒng)以及大多數(shù)抗瘧藥物的識(shí)別。然而這些無臨床癥狀間日瘧原蟲感染者卻依然具有傳播能力，使間日瘧原蟲感染所引起的瘧疾可持續(xù)復(fù)發(fā)并廣泛傳播，大大增加了抗瘧工作的難度。此外，間日瘧原蟲較惡性瘧原蟲蟲株更具有基因多態(tài)性[22-24]。

間日瘧原蟲感染可引起宿主廣泛的炎性和抗炎性細(xì)胞因子表達(dá)，其中炎癥小體受體NLRP1在形成發(fā)熱、貧血和血小板減少等臨床表現(xiàn)中發(fā)揮了重要作用。此外，IL-1β與患者的寄生蟲血癥顯著相關(guān)，而IL-18可減輕宿主貧血癥狀。血小板減少癥是間日瘧原蟲感染后主要的并發(fā)癥，與疾病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[25]。有研究表明，NLRP1可能在內(nèi)皮細(xì)胞，尤其在內(nèi)皮功能紊亂中扮演重要角色[26]。由于間日瘧原蟲以內(nèi)皮細(xì)胞為靶點(diǎn)，誘導(dǎo)血管損傷，攜帶NLRP1功能增強(qiáng)單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)的個(gè)體，更容易發(fā)生間日瘧原蟲相關(guān)血管疾病[27]。另一方面，NLRP1炎癥小體的激活與小鼠造血祖細(xì)胞的焦亡有關(guān)，進(jìn)一步闡明NLRP1在間日瘧感染后引發(fā)的宿主貧血中發(fā)揮重要作用[28]。

1.3 約氏瘧原蟲感染

約氏瘧原蟲感染后可觸發(fā)一系列先天免疫反應(yīng)。在約氏瘧原蟲感染早期，漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞(plasmacytoid dendritic cells，pDCs)是Ⅰ型干擾素(type Ⅰ interferon，IFN-Ⅰ)的主要來源，對(duì)宿主的抗性是必不可少的。然而，與經(jīng)典樹突狀細(xì)胞(conventional dendritic cells，cDCs)和巨噬細(xì)胞不同的是，活化的pDCs由于其較差的抗原提呈特性，不能有效地向T細(xì)胞提呈抗原[29]。研究表明，瘧原蟲核酸在約氏瘧原蟲感染最初24 h，激活并誘發(fā)大量的IFN-α/β產(chǎn)生。升高的IFN-Ⅰ有效地激活cDCs/巨噬細(xì)胞，促進(jìn)cDCs成熟，從而有效地提供抗原，隨后激活適應(yīng)性免疫反應(yīng)。在瘧疾感染過程中，從破裂的iRBC釋放的gDNA、RNA、Hz和GPI被免疫細(xì)胞捕獲[30]。gDNA-Hz復(fù)合物和iRBC可誘導(dǎo)TLR9和NLRP3/AIM2炎癥小體激活[31]。約氏瘧原蟲感染過程中，小鼠原代pDCs、cDCs和巨噬細(xì)胞中AIM2和NLRP3依賴性炎癥小體被gDNA和Hz激活。此外，還有研究表明pDCs和巨噬細(xì)胞中的寄生蟲RNA可以激活NLRP3炎癥小體。

2 瘧原蟲PAMPs與炎癥小體

瘧原蟲PAMPs是可以被PRRs檢測(cè)到的微生物結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是宿主受體的配體[32]。瘧原蟲PAMPs包括GPI錨蛋白、瘧色素、瘧原蟲DNA和瘧原蟲RNA等。PRRs通常識(shí)別核內(nèi)體膜或細(xì)胞表面的PAMPs，而RIG樣受體(RIG-I-like receptors，RLRs)和NLRs的識(shí)別位置在細(xì)胞質(zhì)。PRRs被激活后，將觸發(fā)不同的轉(zhuǎn)錄程序，并誘導(dǎo)多個(gè)下游途徑參與病原體清除。然而，過度激活會(huì)引起全身炎癥和疾病，對(duì)機(jī)體有害。

2.1 GPIs與炎癥小體

糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositols，GPIs)在真核生物中普遍存在，它們主要作用在于將某些細(xì)胞表面蛋白錨定到細(xì)胞膜上。與哺乳動(dòng)物細(xì)胞相比，原生動(dòng)物GPI錨點(diǎn)是巨噬細(xì)胞合成細(xì)胞因子的有效刺激因子，也是導(dǎo)致原生動(dòng)物結(jié)構(gòu)多樣性和具有生物活性效力差異的關(guān)鍵因素[33-34]。這種活性是由它們的精細(xì)結(jié)構(gòu)決定的，惡性瘧原蟲裂殖子中的GPI錨點(diǎn)有2或3個(gè)脂酰鏈，并通過激活TLR2-TLR6或TLR1-TLR2異二聚體，以及TLR4同型二聚體，引發(fā)絲裂原活化蛋白激酶類磷酸化，同時(shí)也是核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)家族成員的抑制劑[35]。有研究表明，在小鼠體內(nèi)TLRs的激活可誘導(dǎo)一氧化氮的產(chǎn)生，并促使TNF和IL-1等促炎細(xì)胞因子的合成[36]。

2.2 瘧色素與炎癥小體

瘧原蟲有能力將血紅素聚合于其食物液泡內(nèi)的惰性晶體瘧色素(hemozoin，Hz)中。這種晶體是在分裂發(fā)生期間從受iRBC中釋放出來的，一旦釋放，Hz被免疫細(xì)胞迅速吞噬，激活肉瘤基因(sarcoma gene，SRC)激酶并誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生[37]。Hz被認(rèn)為是TLR9的配體[38]。雖然Hz的轉(zhuǎn)錄活性需要表面DNA的存在，但其確實(shí)具有免疫活性。隨著對(duì)瘧疾炎癥的了解越來越多，Hz令人意外地成為先天免疫激活幾乎所有方面的關(guān)鍵組成部分。之前認(rèn)為Hz是一種傳遞介質(zhì)，將DNA引入溶酶體腔室。然而，Hz不僅僅協(xié)助DNA參與TLR9激活，同時(shí)它對(duì)NLRP3、AIM2的激活也至關(guān)重要，甚至在免疫細(xì)胞漿中發(fā)生IFN-1響應(yīng)。還有研究表明，Hz是NLRP3炎癥小體的有效激活因子[39]。NLRP3是大量成熟的IL-1β的主要來源，Hz在其中發(fā)揮重要作用。激活的TNF-α和IL-1β是瘧疾感染中與死亡最密切相關(guān)的細(xì)胞因子[40]。

2.3 瘧原蟲DNA與炎癥小體反應(yīng)

DNA是瘧原蟲感染期間先天免疫的主要觸發(fā)因素。瘧原蟲基因組中具有高度刺激作用的胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤二核苷酸(cytosine-phosphate-guanine dinucleotide，CpG)基序，可激活TLR9。瘧原蟲CpG DNA通過Hz刺激TLR9[41]，增強(qiáng)DNA進(jìn)入溶酶體腔的能力，以增強(qiáng)免疫刺激。此外，研究表明來自寄生蟲的蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物可直接激活TLR9[42]。瘧原蟲的基因組高度豐富，在惡性瘧原蟲和間日瘧原蟲中都大量存在的富含AT的莖環(huán)結(jié)構(gòu)已被證明參與了細(xì)胞質(zhì)DNA傳感通路，如干擾素基因刺激因子(stimulator of IFN genes protein，STING)、 TANK結(jié)合激酶1(tank-binding kinase 1，TBK1)和干擾素調(diào)節(jié)因子3(IFN-regulatory factor 3，IRF3)等[43]。最近的研究表明，瘧原蟲DNA同時(shí)兼?zhèn)渚哂写碳ぷ饔玫腃pG和富含AT莖環(huán)結(jié)構(gòu)的雙重能力。

2.4 瘧原蟲RNA與炎癥小體

瘧原蟲RNA作為一種瘧原蟲PAMPs，也可以激活炎癥小體并引發(fā)炎癥反應(yīng)。鼠源性瘧疾病原，如伯氏瘧原蟲和約氏瘧原蟲，或惡性瘧原蟲的RNA可以激活PRRs。在RNA聚合酶Ⅲ、抗黑色素瘤分化相關(guān)基因5(melanoma differentiation associated gene 5，MDA5)和線粒體抗病毒信號(hào)蛋白(mitochondria anti-viral signaling protein，MAVS)的作用下，約氏瘧原蟲在紅細(xì)胞內(nèi)期可誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生IFN-I[44]。此外，RNA傳感器TLR7在瘧疾小鼠模型的先天免疫初始激活中發(fā)揮作用[45]。以上研究表明，胞質(zhì)傳感器和IFN-I反應(yīng)在抑制瘧原蟲生長和寄生蟲血癥方面發(fā)揮了重要的作用。

3 小結(jié)與展望

多年來對(duì)瘧疾發(fā)病機(jī)制的研究使人們一致認(rèn)為瘧疾的臨床表現(xiàn)往往是先天免疫細(xì)胞過度激活的結(jié)果。先天免疫受體在微生物的免疫監(jiān)測(cè)和啟動(dòng)免疫保護(hù)中起關(guān)鍵作用。然而，先天免疫系統(tǒng)是一把典型的“雙刃劍”，有時(shí)會(huì)對(duì)病原體反應(yīng)過度，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生有害影響，從而引發(fā)臨床表現(xiàn)。在瘧原蟲感染過程中，AIM2、NLRP3或NLRC4等炎癥小體，及其下游炎癥因子TNF-α、IFN-γ、IL-12、IL-1β和IL-18等，在很多疾病的病理過程中發(fā)揮重要的致炎作用，故成為近年來的研究熱點(diǎn)。促炎細(xì)胞因子以及瘧疾感染期間產(chǎn)生的一氧化氮，對(duì)抑制寄生蟲的生長至關(guān)重要[46]。然而，過度產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子可能導(dǎo)致嚴(yán)重的病理反應(yīng)。雖然近幾年對(duì)各種瘧原蟲及其各組分激活炎癥小體的研究越來越多，但仍有很多問題尚不清楚，比如激活炎癥小體的明確機(jī)制、炎癥小體活化過程中負(fù)調(diào)控機(jī)制，怎樣利用負(fù)調(diào)控機(jī)制研發(fā)新藥，治療由于炎癥小體過度活化導(dǎo)致的病理損害等。因此，對(duì)于瘧原蟲感染中炎癥小體的活化、調(diào)控和負(fù)調(diào)控機(jī)制的深入研究至關(guān)重要，將感染過程中由于炎癥小體產(chǎn)生的致炎作用保持在“治病”而不是“致病”的狀態(tài)，將逐漸成為抗瘧研究人員的科研重點(diǎn)。